水利機電設備的虛擬裝配技術淺析

李文華

（長江工程監理咨詢有限公司（湖北），湖北 武漢 430010）

水利機電設備的虛擬裝配技術淺析

李文華

（長江工程監理咨詢有限公司（湖北），湖北 武漢 430010）

對水利機電設備的虛擬裝配技術展開分析，對常用的技術特點、水利機電設備的安裝要求、應用模式和實踐進行分析，得到一定的可行性建議，為水利機電安裝工程的管理和安裝技術提供一定的依據。

虛擬裝配；安裝；水電；機電

2016年12月《水利改革發展“十三五”規劃》正式發布，提出到2020年建成防洪抗旱減災體系、水資源配置和利用體系，屆時我國的水利基礎設施網絡將進一步得到完善。未來水利工程的建設將進一步擴大規模，而水利機電設備作為水利工程項目不可或缺的一部分，其裝配就成為了關鍵的環節。如何優化水利機電安裝成為當前的關鍵技術問題之一。

虛擬裝配是在產品設計開發階段，通過技術仿真在虛擬環境下對產品的裝配過程進行預演，提前通過三維可視化技術將整個模擬安裝過程，從而發現問題，驗證裝配可行性和裝配性能。相對于傳統安裝采用的“預裝整體調整法”安裝技術，虛擬安裝具有很好的協調性，將對機電安裝工程的管理和安裝技術具有極大的借鑒意義和參考價值。本文對水電設備虛擬裝配的技術特點，應用模式和實踐展開分析。

1 虛擬裝配技術概述

1.1 技術概述

虛擬裝配技術是基于人機交互模式下的一種仿真技術，通過與計算機虛擬的物體進行實時交互，在虛擬環境下模擬出裝配的整個過程。最早的虛擬裝配技術是在上世紀90年代出現，如今經過計算機技術的進步和演變，這一技術越來越成熟，對設備的可裝配性、可拆卸性、可維修性、裝配精度都能夠很好的模擬，從而提高試裝成功率，提高裝配質量。機電安裝是水電建設中的重點主體工程之一，安裝難度大，利用虛擬裝配能夠有效的提高裝配的成功率。

與傳統裝配工藝規劃方法相比，虛擬裝配的特點如下。

第一，虛擬性，虛擬現實技術提供一種高度逼真、直觀自然的交互環境，能夠實時的觀察水電機電設備裝配過程以及產生效果。

第二，協同性，這種協同是指在人與機器之間的協同，走人機一體的技術路線，共同構成一個系統。

第三，集成性，虛擬技術實現了裝配建模，裝配仿真以及工藝規劃，從而得到實物的初始裝配工藝，并驗證裝配的可行性等。

1.2 虛擬裝配技術體系

其技術體系如圖1，幾個重要的裝配技術模塊包括了CAD幾何建模，三維虛擬仿真、裝配分析。整個虛擬裝配的實現過程可以概括如下：首先，基于CAD模型，提取三維幾何數據；其次，建立信息集成的裝配模型，生成設備裝配的屬性關系，基于虛擬三維仿真系統，觀察和操作零部件模型，生成裝配序列、路徑和可行的裝配方案，最終落實這一方案，引入裝配分析系統驗證裝配方案的可行性。

圖1 虛擬裝配技術體系圖

2 虛擬裝配技術應用

裝配模型是裝配分析的最初環節，下面以對水輪發電機虛擬安裝來探討其具體的應用過程。

2.1 裝配結構

裝配結構反映了產品的構成，把裝配體、子裝配體和零件之間的關系表現為一種結構圖的形式（見圖2），從而構造裝配BOM，快速了解裝配體的基本構成，定制產品的結構，并且支持并行裝配的指導。

圖2 裝配結構圖

水輪發電機裝配是一個涉及零部件多、部件間干擾大，需要準確合理地將它們反映到構建的虛擬裝配模型中，其裝配結構中包括了如下的關系。

位置關系，描述水電機電設備中兩個零部件之間的幾何安裝位置，反映出配合關系和距離關系。配合包括了平面貼合、平面對齊、夾角配合、柱面配合等，同時還有過渡配合、過盈配合。距離關系反映出零件之間接觸關系，按精度分類。

緊固關系，兩個零件成為一體，零件間的緊固方式是必須考慮的。其包含了焊接、鉚接、銷連接、螺紋等多種連接方式，傳動關系反映零部件之間的相對運動和傳動關系，如鏈傳動、帶傳動、繞軸的旋轉等。

2.2 虛擬技術下的網絡計劃編制

安裝一般是分步進行，加快進度的方法是采用并行施工或交叉作業的方式，在水電站機電安裝過程的分步中，受到施工競爭的影響，如工期要求，空間布置、工藝邏輯、工藝組織等眾多因素影響下，傳統工藝不再適應，所以虛擬裝配的優勢凸顯出來，“網絡計劃技術”已經成了一種工程管理不可缺少的方法，利用“網絡計劃技術”模擬計算，明確項目關鍵路線和關鍵工作點，對空間資源加以整合計算可以獲得一套施工信息，避免窩工、誤工情況等，解決施工中遇到的空間沖突矛盾時有較強的靈活性，對水電站機電安裝工程有著重要的現實意義。

一級網絡計劃是根據項目實際來設計安裝，施工初期利用原有的資料與施工經驗先編制出的網絡計劃初稿，然后再結合實際中我國的一些水電站的施工經驗資料的匯總，針對項目自身的特點，進行合理的修正和完善，在實際的施工安裝過程中，水電站的場地受到限制，工位十分緊張，而且很多的水電站都是位于深山峽谷之中，施工場地的布置困難，實際的機電安裝所需的拼裝緊缺。如大朝山電站發電機定子、轉子、轉輪、上下機架等大型的組裝件在工期限制下，而實際的安裝面積只有不到1200平米，這就使得很多工位以及進場都十分的困難。為此需要編制工位的網絡圖，適當的模擬增設工作平臺。

另外，很多的水電站的交通條件很差，距離工地距離太遠，而且長期受到雨水沖刷，道路泥濘，且容易塌方，利用虛擬技術來模擬編制成套的運輸計劃，例如可以將搭建的運輸安排在旱季。

在水電設備安裝過程中，工期也是一個重要的因素，一方面要在施工的過程中配合土建的進度，又要保障自己的進度，而且其中很多的工序實際上是交叉的，例如壓力鋼管下平段安裝在主廠房，通過這些節點的按期實現來有效保證年度工期的目標實現以及廠房開挖結束時的再進行安裝。利用虛擬裝配技術進行分析和實驗，還可以對網絡計劃進行修正，通過模擬，編制出更為準確、精確的，更符合施工條件的網絡計劃，有效指導整個機電的安裝過程，虛擬技術的網絡計劃進一步的編制出二級、三級等一系列網絡計劃，便與合理安排安裝施工、勞力調配以及資源消耗量的計算。

2.3 裝配可視化

利用現行的計算機輔助和VR系統，通過輸入到虛擬環境，通過三維交互設備和顯示設備，可以選擇、生成、修改裝配軌跡或進行裝配?？梢暬哪K部分可以為用戶提供監測警告，如果軌跡信息、裝配順序的不合理，都會產生影響，施工人員可以直接觀察和操作零部件模型，同時進行裝配復雜度估算、裝配成本估算及裝配過程人機工程估算等。

2.4 虛擬技術的效果

目前虛擬裝配技術已經在很多水電設備中得到使用，如公伯峽水電站、大朝山電站，通過虛擬技術的應用，提高的不僅僅是水電站的設備裝配效率，通過系統實施,也能促進工程管理人員現代管理觀念的更新, 增強機件模型的真實感。尤其是針對一些項目比較復雜、工期緊張、規模特大的水電站設備裝配，虛擬技術有著很大的優勢，針對出現的各種不確定因素以及協調工作容易偏差的問題而進行動態監控管理，從而將這些問題進行有效的解決。

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